무인기 제동장치 제어기의 온도 및 유동해석

I. 서 론

무인기 제동장치 제어기는 기계공학, 항공공학, 군사 분야 등에서 널리 사용될 수 있는 제어기로서, 제동력이 과다할 경우는 바퀴의 미끄럼이 발생하게 되고, 이러한 미끄럼의 정도는 바퀴의 축에 장착된 휠 속도센서(wheel speed tranceducer)의 출력신호를 바탕으로 제동장치 제어기에서 판단하게 된다.

제동장치 제어기는 미끄럼의 정도에 따라 실시간으로 ABS(Anti-Brake System) 제어밸브에 제어 명령 신호를 전달하게 되므로 이러한 제동장치 제어기의 정밀도가 무인항공기의 안전운항에 미치는 영향은 매우 중요하다.

제동장치 제어기가 사용되는 주위환경의 온도는 약 (248 ∼323)이다. 제동장치 제어기에서 중요시 간주되는 문제 중의 하나는 제어기 내의 열 발생이 어느 한계수준(368) 이하로 유지되어야 정밀도와 신뢰성을 가질 수 있다. 따라서 제동장치 제어기 내부의 온도 및 유동 특성에 대한 연구가 필요하게 된다.

난류 유동에 관한 고찰로서 Jones 등[1]은 여러가지 복잡한 형상의 유동에 저 레이놀즈수 k - ϵ 난류 모델을 이용하여 계산한 수치해석과 실험결과가 잘 일치하고 있음을 연구하였다. 열 및 유동해석에 대한 단순한 연구는 Fusegi 등[2]과 Pallares 등[3]에 의해 이루어졌는데, 이들은 온도가 다른 단순한 수직면이나 수평면을 갖는 3차원 공동(cavity)내에서의 유동 형태와 특성을 수치 해석적으로 연구하였다.

이러한 연구들과 더불어, 제동장치제어기나 전자 및 전기장치의 온도 및 유동 해석에 대한 연구도 이루어져 왔다. Hong 등[4]은 터보펌프 인듀서(inducer)의 성능 및 유동 특성을 연구하였는데, 이들은 인듀서의 1차원 설계 모델과 3차원 유동해석을 통해 효율적인 인듀서의 설계 방안을 제시하였다.

Tsay와 Cheng[5]은 열 발생기 블록에 탑재된 다수의 보드(boards)를 갖는 채널에서의 2차원 대류 문제를 수치해석적으로 연구하였다. Byon 등[6]은 칩(chip)의 최고 온도에 미치는 칩의 두께의 효과에 대한 실험 및 수치해석 연구를 병행하였고, Sharma 등[7]은 수냉 마이크로 프로세서 칩의 최적 온도 작동에 관한 연구를 하였다.

Kim 등[8]은 몰드 변압기의 구조 영역별 온도분포 및 최고 온도(hot spot temperature)를 예측하고, 변압기의 3차원 열 유동해석을 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하여 수행하였다.

그 후, Jun과 Kim[9], Jeong과 Kim[10], Choi와 Shin[11]은 다양한 대상 모델에 대해, 열해석 모델의 간략화 방법이나 새로운 수치 해석적 기법을 개발하여 연구하였다.

최근 Ryu 등[12]은 구동제어기의 열 유동 해석에 관한 수치 해석 연구를 하였다.

본 논문에서는 제동장치 제어기와 제어기 내부의 각종 칩들과 보드들을 3차원 모델링하고, 이 모델에 대한 온도 및 열 유동해석을 통해, 신뢰성있는 제동장치 제어기를 설계하는데 있다.

II. 본 론

2-1 해석 모델

제동장치 제어기와 제어기 내의 각종 보드들의 3차원 모델은 Fig. 1에 나타난 바와 같다.

Fig. 1.

3-D model of the brake control units and its boards

Fig. 2는 온도 및 유동 해석을 위한 제동장치 제어기의 내부 유체격자 및 고체격자들의 단면을 보여주고 있고, Table 1은 유체격자, 고체격자 등 Fig. 2에 도시된 격자 모델의 종류와 격자 수를 나타낸다. 또한, Table 1에서 irregular cell은 Fig. 2의 유체 및 고체격자를 생성하는 과정에 있어, 불규칙한 격자의 생성을 나타내는데 본 논문에서는 나타나지 않았다.

Table 1.

Kinds and numbers of cells for analysis

Fig. 2.

Solid and fluid cells of the brake control units

2-3 수치 해석결과 및 검토

본 논문에서는 모델링에 있어서 SolidWorks 2015를 사용하였으며, 온도 및 유동 해석으로는 SolidWorks Flow Simulation 2015를 사용하였다. Table 2는 본 논문의 해석에 사용된 제동장치 제어기의 구성요소에 대한 재질과 물성치를 보여주고, Table 3은 각각의 부품에 대한 발열량을 나타낸다.

Table 2.

Specifications of components for the brake control units

Table 3.

Heat sources of components for the brake control units

Fig. 3은 온도해석을 위한 드라이버 보드의 각 단면의 위치를 나타낸다.

Fig. 3.

Positions of cross sections of a driver board for temperature analysis

Fig. 4와 Fig. 5는 드라이버 보드의 각 단면에서, 각각 고온의 경우와 저온의 경우에 있어서의 온도 분포를 나타낸다. 고온의 경우 단면 1부터 단면 3까지 최고 온도는 각각 65.29^oC, 68.07^oC, 64.39^oC를 나타내었고, 저온에서는 각각 -34.99^oC, -29.61^oC, -36.09^oC를 나타내고 있다.

Fig. 4.

Temperature distributions of a driver board at each sections in high temperature

Fig. 5.

Temperature distributions of a driver board at each sections in low temperature

Fig. 6은 온도해석을 위한 신호처리 보드의 각 단면의 위치를 나타낸다.

Fig. 6.

Positions of cross sections of a signal processing board for temperature analysis

Fig. 7은 신호처리 보드의 각 단면에서, 고온의 경우에 있어서의 온도 분포를 나타낸다. 고온의 경우 단면 1부터 단면 2까지 최고 온도는 각각 67.66^oC, 70.87^oC를 나타내었다. 저온의 경우는 그림으로 나타내지는 않았지만, 각 단면에서 각각 -30.36^oC, -27.49^oC를 나타내었다.

Fig. 7.

Temperature distributions of a signal processing board at each sections in high temperature

Fig. 8에서 Fig. 10은 고온에서, 드라이버 보드와 신호처리 보드 A와 B의 각 표면에서의 온도 분포를 나타낸다. 최고 온도는 각각 68. 08^oC, 70.04^oC, 70.89^oC를 나타내고 있다. 저온의 경우는 그림으로 나타내지는 않지만, 드라이버 보드와 신호처리 보드 A와 B의 각 표면에서의 온도 분포는 각각 -29.62^oC, -27.47^oC, -27.97^oC를 나타내 보였다.

Fig. 8.

Surface temperatures of a driver board in high temperature

Fig. 9.

Surface temperatures of a signal processing board A at each sections in high temperature

Fig. 10.

Surface temperatures of a signal processing board B at each sections in high temperature

Fig. 11은 고온에서의 제동장치 제어기 내부의 온도와 유동분포를 나타낸다.

Fig. 11.

Temperature and flow distributions of brake control units in high temperature

III. 결 론

제동장치 제어기의 온도 및 열 유동해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

제동장치 제어기 내부 온도 분포는 고온의 경우, 한계온도인 95^oC 이상의 온도는 모든 부품에서 발생되지 않았으며, 저온의 경우, 대부분의 칩(chip) 부품에서 -30^oC 안팎의 온도 분포를 보이고 있어 비교적 안전한 상태라고 보여진다. 또한, 드라이버 보드나 신호처리 보드에 부착되는 알루미늄 판을 더 크게 하여 열 방출 효과를 증대시키는 방안이 요구된다.

References

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